CN107611543B - 一种siw损耗传输线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波、传输线技术，具体涉及一种SIW损耗传输线，应用于X波段。包括介质基板、介质基板上下表面的金属层和两排平行并贯穿介质基板和二层金属层的金属化通孔或金属柱，以及管状吸波材料层。本发明通过在介质基板上与金属通孔或金属圆柱同轴的方式设置一层管状吸波材料层于其外围，在保证传输线本身的性能前提之下同时实现了高损耗的性能。管状吸波材料层选用磁损耗或电损耗材料。本发明提供的SIW损耗传输线，在保证回波损耗低于‑25dB情况下，在X波段(8～12GHz)的最小损耗可达‑4dB，最大耗损可达‑8dB。

Description

一种SIW损耗传输线
技术领域
本发明涉及微波、传输线技术，具体涉及一种SIW损耗传输线，应用于X波段。
技术背景
近年来，传输线技术有了很大的发展。矩形波导是较早应用于微波领域的传输线，其功率容量大，损耗小，但是体积较大，难以集成化和小型化，随着微波集成电路的发展，相继出现了带状线，微带线和槽线等微带型结构，这些结构易于集成和小型化，较好地满足微波集成电路发展的需要，但是微带型结构损耗较大。
基片集成波导(SubStrate Integrated Waveguide.SIW)是一种可集成于介质基片的新型传输线。SIW通常是在介质基板上打两排金属通孔，再在基板两面覆以金属得到的。在保证传输线上能量不泄露的情况下，将通孔阵列等效为金属壁，传输特性则可近似矩形波导分析。基片集成波导既有传统微带型传输线的优点也有传统波导的优点。相比于传统微带型传输线，基片集成波导具有更低的辐射、更低的损耗、更高的Q值、更高的功率容量；相比于传统波导，基片集成波导更易于集成化和小型化。基于基片集成波导可将各种无源器件、有源器件和天线等通信器件集成在同一衬底中。
传统的SIW传输线传输性能好，损耗低，但是在某些应用场合需要高损耗的传输线，如衰减器和吸收负载等，此时传统的SIW传输线不能满足应用要求。
发明内容
针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种SIW损耗传输线，应用于X波段。在保证回波损耗低于-25dB情况下，在X波段(8～12GHz)的最小损耗可达-4dB，最大耗损可达-8dB。
一种SIW损耗传输线，包括介质基板、介质基板上下表面的金属层和两排平行并贯穿介质基板和二层金属层的金属化通孔或金属柱，以及管状吸波材料层。
所述管状吸波材料层以金属化通孔或金属柱轴心为物理中心设置于其外围，即金属化通孔或金属柱与吸波材料层呈同轴状结构，管状吸波材料层的壁厚dr＞0，高度与介质基板厚度相同并相适应，0＜2dr+d＜s，d为金属化通孔或金属柱的直径，s为同行相邻金属化通孔或金属柱的轴心距。
所述管状吸波材料层选用磁损耗或电损耗材料。由于SIW传输线边缘磁场最强，选用磁损耗材料更佳。
本发明通过在介质基板上与金属通孔或金属圆柱同轴的方式设置一层管状吸波材料层于其外围，在保证传输线本身的性能前提之下同时实现了高损耗的性能。根据SIW传输线的场分布可知SIW传输线边缘处的磁场最强，在传输线边缘处设置磁损耗吸波材料对于提高传输损耗最有效果。
本发明提供的SIW损耗传输线，在保证回波性能的前提下，具有高损耗，在X波段内最小损耗可达-4dB，最大损耗可达-8dB。
附图说明
图1为实施例的立体结构示意图；
图2为实施例的俯视图；
图3为实施例的金属通孔局部结构示意图；
图4为实施例在dr取不同值时通带内最大回波损耗绝对值S11max与相对磁导率u关系曲线图以及对其拟合的表达式；
图5为图4中每个表达式的二次项系数a、一次项系数b、常数项c与相对应的dr的关系曲线图及对其拟合的表达式；
图6为实施例在dr取不同值时通带内最小插入耗绝对值S21min与相对磁导率u关系曲线图以及对其拟合的表达式；
图7为图6中每个表达式的二次项系数a、一次项系数b、常数项c与相对应的dr的关系曲线图以及对其拟合的表达式；
图8为实施例在dr取不同值时通带内最大插入耗绝对值S21max与相对磁导率u关系曲线图以及对其拟合的表达式；
图9为图8中每个表达式的二次项系数a、一次项系数b、常数项c与相对应的dr的关系曲线图以及对其拟合的表达式；
图10为实施例的S11参数仿真结果；
图11为实施例的S21参数仿真结果；
图12为实施例的VSWR参数仿真结果；
图13为实施例的传播常数参数仿真结果；
图14为实施例的衰减常数仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
本实施例的SIW损耗传输线立体结构图如图1所示，图3示出实施例的俯视局部结构放大示意图。
SIW损耗传输线包括介质基板以及介质上表面的第一金属覆铜层和介质下表面的第二金属覆铜层，介质基板上设置有两排平行的金属化通孔，且金属化通孔贯穿于第一金属覆铜层、介质基板层和第二金属覆铜层。
以金属化通孔轴心为物理中心设置一层磁损耗材料的管状吸波材料层于其外围，即金属化通孔与吸波材料层呈同轴状结构，管状吸波材料层的壁厚dr＞0，高度与介质基板厚度相同并相适应，0＜2dr+d＜s，d为金属化通孔或金属柱的直径，s为同行相邻金属化通孔或金属柱的轴心距。
上述X波段SIW损耗传输线的设计过程为：
步骤1：为了使SIW损耗传输线在x波段实现单模传输，以根据X波段传统波导单模传输设计方法与圆孔SIW传输线的尺寸等效公式
Figure BDA0001368879270000031
得到两排金属化通孔的距离w的初始值，得到金属通孔直径d的初始值，得到相邻两金属通孔间距s的初始值。如图1所示，介质基板的介电常数为2.1，电损耗角正切为0.00045，厚度h＝0.5mm；初调d＝0.5mm，s＝0.8mm；w的初始值为15mm；磁损耗吸波材料层的介电常数为2.1，电损耗角正切为0.00045，相对磁导率u＝2，磁损耗角正切tanθ＝1，厚度dr＝0.1mm。
步骤2：分别对步骤1中的w、d、s参数优化以得到较好的回波性能。固定其中两个参数，以较小的步长，扫描剩下的参数，以确定SIW损耗传输线尺寸的最优值。具体地，选择w从15mm到19mm，步长为0.1mm；选择d从0.2到1mm，步长为0.1mm；选择s从d+0.1mm到4d，步长为0.1mm；对以上结果进行筛选，为了使高次模频率出现在x波段频带外，要求传输性能S11小于-40dB，综上可得w＝17mm，d＝0.4mm，s＝1.3mm。
步骤3：根据步骤2所得结果，调节dr、u参数，探究dr、u参数对S11和S21的影响，并得出x波段频带内S21的最小值的绝对值S21min与dr、u参数的函数关系式S21min(dr,u)。具体地，选择dr从0.025mm到0.425mm，步长为0.025mm；选择u从1到3，步长为0.1；先探究dr取不同值时S21min与u的函数关系式S21min(u)，图6给出dr取不同值时，函数S21min(u)的图像与表达式。进一步探究S21min(u)表达式中的二次项系数a、一次项系数b、常数项c与u的函数关系式a(u)，b(u)，c(u)，得到图像及表达式如图7所示。综上所述得到S21min(dr,u)为：
S21min＝au2+bu+c
其中，a＝-12.2328dr3+7.2079dr2-2.5437dr+0.012237
c＝-32.6359dr3+32.8302dr2+5.7377dr-0.057845
b＝103.6283dr3-84.1901dr2+24.4939dr+0.24206
步骤4：由于本发明SIW损耗传输线要求传输性能S11小于-25dB，S21小于-3dB，选择dr＝0.225，u＝1.6作为具体展示，如图10、图11所示，本发明表征SIW损耗传输线回波损耗S11参数在x波段频带内小于-25dB，表征插入损耗S21大于-3dB。端口驻波系数小于1.112，传播常数大于156，衰减常数大于0.0808。
综上所述，通过结构参数的调整可使本发明SIW损耗传输线在具有良好的回波损耗性能的前提下，得到较大的插入损耗，可应用于损耗器件的集成，如衰减集成器件，使得器件在集成方面有一种新结构选择方案。

Claims (3)

1.一种SIW损耗传输线，包括介质基板、介质基板上下表面的金属层和两排平行并贯穿介质基板和二层金属层的金属化通孔或金属柱，以及管状吸波材料层，其特征在于：
所述管状吸波材料层以金属化通孔或金属柱轴心为物理中心设置于其外围，即金属化通孔或金属柱与吸波材料层呈同轴状结构，管状吸波材料层的壁厚dr＞0，高度与介质基板厚度相同并相适应，0＜2dr+d＜s，d为金属化通孔或金属柱的直径，s为同排相邻金属化通孔或金属柱的轴心距。
2.如权利要求1所述SIW损耗传输线，其特征在于：所述管状吸波材料层选用磁损耗或电损耗材料。
3.如权利要求1所述SIW损耗传输线，应用于X波段。
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